基于工程检测中的混凝土碳化分析

摘要：通过工程检测过程中发现的混凝土碳化问题，分析碳化酸碱中和反应的机理，突破以前强调CO2作用的定义局限，重新定义混凝土碳化定义；按来源的不同把混凝土碳化影响因素归纳为混凝土实体自身因素、混凝土所处环境以及混凝土结构的受力情况三大类，并对每种影响因素进行分析；最后通过简述混凝土碳化深度的测定方法，提出了工程检测中关于混凝土碳化的常见注意事项和影响因素。

关键词：混凝土；碳化；新定义；影响因素

Abstract：Throughthedetectionofengineeringtesttofoundconcretecarbonization，analysisthemechanismoftheacidandalkalineutralizationreactionforconcretecarbonization，breakthroughthelimitationsofthebeforedefinition，toredefinethecarbonationofconcretedefinition.Accordingtothedifferentsources，Summarizedtheconcretecarbonizationinfluencefactorsas：concreteentityitself，theenvironmentandthestressoftheconcretestructure，analyzeeachinfluencefactor.Atlonglast，theconcretecarbonationdepthcanbedeterminedthroughastraightforwardapproach，whichtakesintoaccounttheusualfactorsandconsiderations.

Keywords：concrete；carbide；newdefinition；affectingfactors

随着经济发展，大气污染和土地污染随即加剧，空气中CO2和SO2等酸性气体的增加，暴露在大气中的建筑物碳化越来越严重。2013年，全球二氧化碳日均浓度超过400ppt［9］，这使得混凝土的碳化成为一个严峻的挑战，它不仅严重损伤了混凝土的强度，而且也严重降低了它的使用寿命，外加温差的变化，混凝土的碳化变得越来越严峻，成为衡量其抗压能力和抗腐蚀能力的一个关键因素。

1混凝土碳化的机理及重新定义

通常来说，混凝土的碳化反应可以被视作一种化学或物理损伤。CO2在进入水泥时会被吸收，并在“酸碱中和反应”条件下分解。伴随时光的推移，pH会下降，8.5以上，表明水泥的pH值处于中性状态。当pH=9.88，钢筋混凝土的表层就会出现钝化膜［3］，而当pH=11.5，则会出现更多的钝化膜，但它们的稳定性还未到达预期的水平。

在混凝土中［3］，CO2的存在会导致其中的化学组分的中性化，从而引起其中的化学反应，从而导致其中的碱性减弱，这就是所谓的碳化。

按照以前的定义，混凝土的碳化只强调了大气中CO2的重要性，而忽略了其他酸性物质的影响，混凝土的碳化机理为“酸碱中和反应”，根据混凝土碳化的定义，能与混凝土中的碱性物质发生反应的酸性物质很多，不只限定于空气中的CO2。如在酸性土壤地区的水pH≤7，它与空气中的CO2对混凝土的碳化一样，如若土壤酸性较强，结果更是超过空气中的CO2等作用。

因此，我们将混凝土的碳化概念改变，即将可溶于其中的酸性物质转化为可渗透于其中的中性化反应，从而改变其中的化学组成，提高其耐久性。

2混凝土碳化影响因素

混凝土碳化的影响因素有很多，按影响的来源不同可以归纳为三大类：混凝土实体自身因素、环境、结构受力情况。

2.1混凝土实体自身因素

混凝土自身因素即为影响混凝土实体的因素，分为混凝土所用材料和施工养护两方面。

影响混凝土材料的主要包括以下因素：水泥用量与水泥品种，主要决定混凝土中能被碳化成分的量。研究表明［1］，早强水泥和同标号的其他水泥相比其碳化较小。水灰比越大，混凝土孔隙就越多，有利于酸性物质的扩散，并且多余的水分还参与了碳化反应。

适当添加剂到混凝土中会产生两种不同的效果［7］：首先，当水泥的使用量增加时，会导致水化反应产生的可溶解化学物质增多，从而使得碱的含量下降，削弱了其耐腐蚀性；其次，添加剂的二次水化填充效应会明显地改变混凝土的孔隙率，从而增强其密实度。添加剂会显著提高混凝土的耐碳化特性，通过增添气孔数来提高其耐磨性。

2.2混凝土所处环境

混凝土所处环境主要指自然环境，其对碳化的影响因素分为环境温度、湿度及酸性物质的浓度。

环境温度对混凝土碳化的影响体现在酸性物质的扩散和化学反应速度上，温度越高酸性物质扩散越快，酸碱反应速率也越快，所以混凝土碳化也越快。

徐道富［9］的实验结果显示，环境温度与混凝土碳化速度之间存在着显著的正相关性。研究发现，当温度介于10～60℃之间时，混凝土碳化速度会显著增加。当相对湿度升高时，碳化反应的进程受到限制；而当相对湿度减少，导致其碳化反应的进程受到阻碍。因此，碳的转变过程比较缓慢。

经过碳化数据分析，李果等发现，碳化的进程受到RH0的影响，即40%～60%的空气中，碳化的进程会变得更加迅猛，50%的空气中，碳化的进程会达到顶峰。徐道富［9］的实验结果表明［10］，在一定的条件下，混凝土中的钢筋的腐蚀率较低，而且随着环境的改变，它们的碳化速率也会有所降低。

酸性物质浓度对混凝土碳化的影响主要是为碳化反应提供与混凝土中碱性物质反应的酸根，酸性物质浓度越大，说明能发生反应的酸根越多，碳化反应就越彻底，所以碳化也就越严重。

2.3混凝土结构的受力

基于以往的碳化深度预测模型，我们构建了一个新的数学模型［1314］，以更好地描述应力状态下的碳化深度变化情况：

X=ηkRh·kT·kco2·kwc·Xσt

涂永明［13］等人经过试验，采用代数学上广义逆的概念，最后得到：

在受到拉伸压缩的情况下，我们可以使用

X=ηkRh·kT·kco2·kwc·

（1-0.112581σct+0.129026σ2ct-0.012642σ3ct）t

在受到外加压力的情况下，我们可以通过

X=ηkRh·kT·kco2·kwc·

（1+0.0045235σcp+0.00354674σ2cp-0.00014676σ3cp）t

可以通过以上参数来估测混凝土的碳化深度。

式中：η为模型调节常数，采用无应力状态下的回归常数，η=1.6175；kRh为环境相对湿度影响系数，kRh=Rh（100-Rh）Rh0（100-Rh0），其中Rh为碳化环境下的相对湿度，Rh0为标准环境相对湿度，取Rh0=50；kT为环境温度影响系数，kT=4TTO，T为环境温度，TO为标准环境温度，取TO=20℃；kco2为CO2体积分数影响系数，kco2=co；kwc为混凝土质量及水灰比影响系数，该系数反映混凝土的浇筑及养护状况。

经过实验证明［12］，拉应力会显著提升混凝土的碳化过程，随着拉应力的增加，其碳化过程也会相应增强；相比之下，压应力则会有效地降低混凝土的碳化过程，随着压应力的增加，其碳化过程也会相应降低。

3混凝土碳化在工程检测中的注意事项

因为碳化对混凝土实体的危害作用很大，所以在中混凝土碳化是工程检测主要的检测项目之一。

通过使用1%的酚酞试剂，可以准确地测定出混凝土的碳化程度。先要使用合适的工具，将测点的表面切割出一个直径约15mm的小坑，将坑里的灰尘、杂质清理掉，然后将一定比例的1%的酚酞酒精溶液滴入坑的边缘，从而使酚酞试剂从红色转换到无色，这就是所谓的酞碳化酞区。测量频率最低要求为3次，并将测量结果的平均值保持在0.5mm以内。

在工程检测中，关于混凝土的碳化作用，我们应当注意以下几点：

（1）混凝土的碳化是一种酸碱中和反应，发生化学反应后生成难溶性的CaCO3等盐，在混凝土表面形成一层坚硬的“保护层”，我们在用回弹等方法测定混凝土强度时，会形成混凝土的“高强假象”。

（2）在工程检测时，易把混凝土的碳化、风蚀、水蚀、钢筋保护层太薄及盐渍碱等不同原因造成的钢筋锈胀，结构表面混凝土剥落而混淆。当钢筋保护层太薄时，外加风蚀和水蚀作用，也会造成钢筋锈胀，结构表面混凝土剥落。

（3）在具体的工程检测中，按照现行规范，我们测定混凝土碳化时（特别对于新生混凝土，即混凝土龄期不长），常遇到酚酞在新凿开的混凝土孔洞不变红或只有微弱的变色，在检测中容易造成误判（如图2），但在混凝土表面轻微打磨后，混凝土颜色变化更为明显（如图3）。造成这种现象自己理解为：按照规范要求测定混凝土碳化时，凿开的孔洞周围表面主要是石子和沙子较多，水泥浆较少，一般工程所用石子和沙子使用之前碳化比较严重或已受到不同程度的腐蚀，所以遇到酚酞溶液色变不明显，混凝土表面水泥浆较多，碱性环境更为强烈，若混凝土没有碳化，打磨表面之后，混凝土碳化色变化较为明显（结论有待论证）。

不同原因造成的混凝土耐久性降低有不同的处理方法，如果不能及时弄清原因，会造成维修加固的浪费，而结构的性能并没有得到改善。

4实验结论

（1）经“酸碱中和反应”的研究，我们将CO2的影响从传统的概念中解放出来，将混凝土的碳化概念提升到一个新的层次，即CO2在混凝土中的化学反应，改变了混凝土的性质，从而提高了它的耐久性。然而，这一结论仍有待进一步的论证。

（2）通过总结混凝土碳化的影响因素，按来源的不同把混凝土碳化影响因素归纳为混凝土实体自身因素、混凝土所处环境以及混凝土结构的受力情况三大类，并对每种影响因素细分描述。

（3）通过简述混凝土碳化深度的测定方法，总结了在工程检测中关于混凝土碳化的注意事项，分析碳化、风蚀、水蚀、钢筋保护层太薄及盐渍碱等不同原因下造成的钢筋锈胀，导致结构表面混凝土剥落，针对具体原因，采取补救措施。

（4）在实际工程中，由于按现行规范测定混凝土碳化深度时混凝土碳化色变不明显，在实际测定中容易误导结果，而采用首先表面打磨测定混凝土是否碳化，若已碳化，再凿开15mm孔洞测量是否准确，更符合实际需要（有待论证）。

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基金项目：混凝土表面缺陷智能识别和快速修复技术研究（GJJ2023059）

作者简介：赵元科（1980—），男，汉族，甘肃武威人，工程硕士，高级职称，研究方向：工程检测。